坡度对高寒草甸公路护坡土壤性状及沙化表现的影响

郭碧花，张雪梅，刘金平*，游明鸿，甘小洪，羊勇

（1.西华师范大学生命科学学院，四川 南充 637009；2.四川省草原科学研究院，四川 成都 611731；3.四川久马高速公路有限责任公司，四川 成都 611212）

川西北高原地处青藏高原东缘，是典型高寒生态脆弱地带［1］和国家重点生态功能区［2］，也是产业结构简单、经济基础薄弱、交通条件落后的区域性深度贫困地区。修建高速公路对消除贫困、改善民生，加强民族团结和保证边疆稳定，实现国家西部发展和“一带一路”倡议具有重大意义。因川西北高原海拔高、辐射强、积温低、生长期短的特殊气候条件［3］，加之土壤、植被与景观的地域性分布与整体生态脆弱性，实施安全、稳定、环保的边坡生态防护工程，是统筹推进交通强国建设，实现交通生态环境保护修复的基本要求。

为增加公路边坡的抗蚀能力、生态安全性和景观效益，常通过干砌块石、防滑挂网、添换客土、液压喷播等技术，建植护坡植物群落［4-5］。关于公路边坡的基质配比与厚度［6-7］、植物选择与配置［8］、播种方式与养护技术［9］，及再生群落稳定性与水土保持效果评价［10-11］进行了大量研究与实践。但针对高寒地区公路边坡可借鉴的经验与成果极少，开展现有公路边坡的沙化现状调查研究与固土护坡效果评价，是摸索与总结该区生态边坡建设经验的有效途径。

坡度影响太阳辐射、水分、氧气和养分分布格局［12］，引起立地条件与生存环境异质性，使植物可利用资源数量、对资源竞争强度及反馈表达不同，从而影响护坡植物群落组成、外貌特征与群落稳定性。本研究在国道G248红原县机场段，选择经10年自然演替的5个坡度等级的公路护坡，通过测定土壤质地和理化性状及沙化程度比例等指标，分析坡度对土壤保水保肥能力、植被盖度及沙化等级的影响，探究不同坡度上护坡工程建设技术要点。研究结果为高寒地区高速公路护坡工程设计、植物选择与配置及建植养护技术优化提供依据，为川西北高原未来4600 km规划路网建设及青藏高原类似工程建设提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于G248四川省阿坝州红原县机场段进行，东经102°21′，北纬32°31′，为大陆性高原温带季风气候，海拔3560 m，年均温1.1℃，极端高温23.5℃，极端低温-33.8℃，年降水量738 mm，相对湿度71%，年积温865℃，年辐射量（20.93～29.30）×106kJ·m-2。地带性植被为高寒草甸，植被类型为禾草-嵩草-杂类草草甸。

1.2 试验设计

于2021年7月，参照森林调查坡度划分等级［13］，在国道G248机场段（均为垫基公路，均为坡高＜5 m的非地带性小尺度低护坡），在约5 km公路两侧护坡［2011年扩建时，仅通过堆基、土壤平整、补播老芒麦（Elymusspp.）等本地禾草建成护坡，未进行干砌块石、坡面固定、防滑挂网等工程技术处理，自然演替至今］上，依坡度大小划分为缓坡（6°～15°）、斜坡（16°～25°）、陡坡（26°～35°）、急坡（36°～45°）和峭坡（＞45°）5个等级，每级坡度上，随机划定样地（约10 m2）各20个，每样地中随机设置1.0 m×1.0 m样方各3个。以距路基＞10 m的未受工程干扰的平坦天然草地为对照（CK）。

1.3 测定项目及方法

土壤性状：每样方随机用直径50 mm环刀，钻取0～20 cm原状土（土层过薄时，到岩石层为止），3次重复，去除杂物称鲜重后，装入铝盒，110℃烘干至恒重为干重。土壤含水量=（土样鲜重-土样干重）/土样鲜重×100%；土壤容重=环刀干土重/环刀容积。用干筛法振荡10 min，按国际制分离为黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.020 mm）、细砂粒（0.02～0.20 mm）、粗砂粒（0.20～2.00 mm）和石砾（＞2 mm）称重，计算各粒级比例。土壤数据由杨凌新化生态科技有限公司测定，具体采用总有机碳分析仪（Min/C 3100）测有机质、总碳、溶解性有机碳和无机碳含量，凯氏定氮法测全氮和有效氮含量，碱解扩散法测碱解氮含量，钼锑比色法测全磷含量，碳酸氢钠法测有效磷含量，火焰法测全钾含量，乙酸铵提取法测有效钾含量［14］。

沙化度：网格法（1.0 m×1.0 m方框，划分为100格）测样方所有植物的盖度，参照《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标》国家标准（GB 19377-2003）［15］，结合护坡的植被盖度，划定未沙化（non desertification，ND，盖度≥95%）、轻度沙化（light desertification，LD，盖度80%～94%）、中度沙化（moderate desertification，MD，盖度50%～79%）、重 度 沙 化（severe desertification，SD，盖 度20%～49%）、极 重 度 沙 化（extremely severe desertification，ED，盖度≤19%），计算：某个沙化度比例=某个沙化度面积/总面积×100%。

沙化表现：参照《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标》［15］，以必须监测项目中的植物群落特征指标：草地总盖度相对百分数的减少率=（CK盖度-某坡度的沙化盖度）/CK盖度×100%，沙化面积占草地面积相对百分数的增加率=（某坡度的沙化面积-CK沙化面积）/CK沙化面积×100%；以辅助监测项目中的机械组成指标和养分含量指标：＜0.02 mm粉粒相对减少率=（CK粉粒比例-某坡度粉粒比例）/CK粉粒比例×100%，＞0.05 mm砂粒相对增加率=（某坡度砂粒比例-CK砂粒比例）/CK砂粒比例×100%，有机质含量相对减少率=（CK有机质含量-某坡度有机质含量）/CK有机质含量×100%，全氮含量相对减少率=（CK全氮含量-某坡度全氮含量）/CK全氮含量×100%。

1.4 数据分析

采用SPSS 19.0进行SNK多重比较、单因素方差分析等数据分析，并用Duncan法对各参数进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 坡度对土壤粒级组成的影响

坡度对土壤颗粒组成有极显著影响（P＜0.01）（表1），随坡度增加，粗砂粒和石砾比例不断增加，黏粒、粉粒和细砂粒比例不断下降。坡度对土壤颗粒影响为石砾＞粗砂粒＞粉粒＞黏粒＞细砂粒。缓坡上细砂粒和石砾比例与CK差异较小，黏粒和粉粒占比下降14.05%和21.53%，而粗砂粒增加221.34%。黏粒和细砂粒随坡度增加相对均速降低，粉粒在陡坡上降幅最大，粗砂粒和石砾在峭坡上增幅最大。急坡和峭坡上黏粒、粉粒和细砂粒仅为CK的27.33%、20.69%和24.92%，14.09%、10.65%和37.00%，而粗砂粒和石砾是CK的9.10、204.80倍和10.79、362.4倍。坡度越大粗砂粒比例越大，土壤质地越差且沙化特征越明显。

表1 坡度对土壤粒级组成的影响Table 1 Effects of slope size on grassland soil granularity composition（%）

2.2 坡度对土壤物理性状的影响

坡度对土壤pH、容重和含水量有极显著影响（P＜0.01）（表2），随坡度增加容重和pH不断增加，含水量不断下降（P＜0.05）。CK和缓坡上pH为酸性、斜坡和陡坡上近中性、急坡和峭坡上为碱性，斜坡和陡坡间pH差异较小。5个坡度级上土壤容重分别是CK的1.54、2.06、2.74、3.68、4.92倍，而含水量分别是CK的73.11%、48.86%、32.16%、23.72%、15.10%。急坡和峭坡上pH＞7而含水量＜20%，呈现出典型盐碱化和干旱化特征。

2.3 坡度对土壤化学性状的影响

2.3.1 碳含量 坡度对土壤有机质（soil organic matter，SOM）、总碳（total carbon，TC）、溶解性有机碳（dissolved organic carbon，DOC）、无机碳（inorganic carbon，IC）含量有极显著影响（P＜0.001）（表2），随坡度增加SOM和TC含量显著逐步下降，DOC和IC则先显著下降后趋于稳定（P＜0.05）。坡度对碳含量影响为SOM＞TC＞IC＞DOC，5个坡度级上SOM和TC分别为CK的80.27%、62.35%、26.31%、8.29%、2.92%和86.96%、50.05%、37.33%、34.94%、26.73%，SOM下降幅度与速度大于TC，斜坡和陡坡下SOM下降约40%。缓坡使DOC和IC下降大于50%，斜坡使IC下降幅度与速度大于DOC，陡坡、急坡和峭坡间DOC和IC含量无显著差异（P＞0.05）。

表2 坡度对土壤物理性状和碳含量的影响Table 2 Effects of slope size on soil physical properties and carbon content

2.3.2 土壤肥力 坡度对土壤全N、全P、全K和有效N、有效P、有效K含量有极显著影响（P＜0.001）（表3），随坡度增加，全N、有效N和碱解N显著下降，全P、全K和有效P、有效K则表现不同。坡度对土壤肥力影响为有效N＞碱解N＞全N＞有效K＞有效P＞全K＞全P，缓坡下全P和全K与CK差异较小，有效P高于CK，有效K低于CK，全N、碱解N和有效N均低于CK（P＜0.05）。5个坡度级下全N、碱解N和有效N分别是CK的56.43%、42.37%、20.41%、11.66%、10.12%，60.07%、34.58%、15.52%、9.58%、7.25%，45.40%、28.24%、19.63%、10.87%、2.67%，有效N在缓坡和斜坡下降速度快于全N和碱解N，全N和碱解N在陡坡下降幅度最大。缓坡全P和有效P大于CK，斜坡全P和有效P比缓坡下降22.03%和41.01%，而在陡坡、急坡、峭坡间差异较小（P＞0.05）。5个坡度级的全K均大于CK，斜坡全K达最大值，陡坡、急坡、峭坡间差异较小（P＞0.05），而有效K分别为CK的94.03%、63.39%、43.51%、39.10%、39.51%，有效K在斜坡和陡坡下降速度较快。

表3 坡度对土壤肥力的影响Table 3 Effects of slope size on soil fertility

2.4 坡度对沙化等级比例的影响

坡度对护坡沙化等级比例有极显著影响（P＜0.001）（表4），随坡度增加，ND比例越来越小，LD、MD和SD比例先增加后减少，ED比例越来越大，坡度对沙化等级影响为ED＞ND＞MD＞LD＞SD。缓坡降低ND比例，增加LD和MD比例，而对SD和ED几无影响。缓坡和斜坡上ND比例下降为CK的74.80%和3.34%，LD、MD和SD比例是CK的1.50和0.68倍、2.27和14.25倍、1.13和329.00倍。LD、MD和SD比例分别在缓坡、斜坡和陡坡达最大后，随沙化度增加又快速降低，在峭坡上占比仅为0.09%、6.11%和11.03%，而ED比例在＞25°后快速上升。

表4 坡度对沙化等级比例的影响Table 4 Effect of slope size on the proportion of desertification degree（%）

2.5 坡度对沙化表现的影响

坡度对沙化表现指标有极显著影响（P＜0.001）（表5），随坡度增加，沙化表现指标均越来越大，总盖度相对百分数减少率、＜0.02 mm粉粒相对减少率、＞0.05 mm砂粒相对增加率显著增加，沙化面积相对增加率在陡坡、急坡和峭坡间无差异，有机质含量和全氮含量相对减少率在急坡和峭坡间无差异。总盖度相对百分数的减少率在斜坡下增加幅度较大，沙化面积相对增加率在缓坡和斜坡下增加幅度较大，有机质含量和全氮含量相对减少率在缓坡、斜坡和陡坡下增加幅度较大。

表5 坡度对沙化度评价指标的影响Table 5 Effect of slope size on the evaluation index of desertification degree（%）

3 讨论

坡度依尺度、区域、对象与目的有诸多的划分方法与标准［16-17］，本研究把试验路段公路护坡划为5个坡度等级，占比约为缓坡22%、斜坡38%、陡坡21%、急坡12%和峭坡7%。不同坡度水蚀风蚀强度的差异，使坡度越大，粗砂粒和石砾比例越高，黏粒和粉粒流失越严重。不同粒级的物理性质、物理机械性质和营养程度不同，颗粒越小养分越高且蓄水保肥力越强［18］，坡度增加引起植物群落密度和盖度降低［16］，根系保水固土能力下降［17］，水土流失导致土壤容重增加，使土壤呈现出退化、沙化和盐碱化特征，与其他区域研究结果一致［10］。坡度影响水肥截留能力与抗侵蚀能力［19］，坡度越大滞留凋落物、转化有机质、释放养分能力越低［20］，碳输入减少与粉粒流失，间接影响土壤酶数量与活性［19］，使酶流失量随坡度增大呈指数倍增多［21］，从而影响土壤团聚体组成、数量、分形维数、分布能力，引起土壤结构性、通气性、渗透性、吸附性、缓冲性及稳定性衰退与丧失［22］，致使土壤理化性状发生改变。

坡度升高显著降低植被盖度与减少滞留凋落物［17］，进而影响有机碳输入输出、分解转化［23］，使TC和SOM含量下降，SOM多以沉积有机碳（sedimentary organic carbon，SOC）的形式存在，DOC为溶解性易受环境影响的SOC，土壤水分含量下降使在缓坡和斜坡上DOC流失速率大于TC和SOM。当坡度＞25°对DOC几乎无影响，而SOM流失速度大于TC，说明坡度主要引起土壤中活性SOC流失。90%的SOC储存在土壤团聚体内［24］，难分解或顽固性SOC占土壤SOM的60%～80%［25］，不同沙化土壤中SOC存在于不同粒径的团聚体中［24］。土壤SOC与含水量显著正相关［26］，与土壤pH显著负相关［27］，坡度增大使水分降低、pH增大，致使TC、SOC和SOM降低。土壤中的无机碳包括土壤中根系、微生物和动物呼吸及含碳化合物的化学氧化产生的CO2和碳酸盐［28］，土壤CO2含量与水分含量成正比，缓坡和斜坡下IC显著降低，是水分流失影响土壤呼吸的结果。而坡度＞25°后，水分降低而IC含量几乎无变化，说明土壤呼吸使CO2降低量与沙化使碳酸盐增加量趋于平衡。坡度对土壤碳的种类、数量影响，引起土壤碳的时空分布、变异特征变化，持续影响土壤质地及供水供肥能力。

有机质累积数量、熟化程度、分解速度与存在形式，对土壤物理肥力、化学肥力和生物肥力贮藏与释放起关键作用［27］。坡度越大SOM流失越严重，土壤表层流失是土壤中氮素流失的主要途径［29］，故土壤中全N、有效N和碱解N随坡度增加而不断下降，有效N和碱解N易受土壤质地、水热条件和生物活动的影响［20，22］，故流失速率大于全N。坡度＞12°后养分流失量与坡度为幂函数关系［30］，P素随坡度增大流失量也增大，有效P流失率大于全P［31］。但坡度＞15°后全P并未下降，且有效P在陡坡和峭坡上无差异，或因全磷含量主要受成土母质的影响，固存在土壤矿物质或次生矿物质中，生境条件与土壤情况对其生物地球化学过程影响较小［32］，仅有机P易流失。随坡度增加全K含量增加而有效K降低，且有效K占全K比例不断下降。坡度引起土壤沙化与干旱，使水溶性K和交换性K降低而矿物中固定K增加，随水分流失K由底层运输且滞留于地表，使表层土壤盐碱化而pH值升高。坡度对N、P、K含量与存在状态及比例的影响，使不同坡度土壤供水供肥能力不同。

土壤与植物相互选择、互相适应与协同进化能力，是群落构建、生产力形成的根本动力。坡度升高会降低植物的净光合速率及蒸腾速率［16］，限制植物分蘖、拓展与再生能力，限制根系向坡面深处延伸［17］，降低种子库的种子密度和物种丰富度［33］，影响植物群落外貌、结构和数量特征，致使坡度对以盖度为基础的沙化等级比例有极显著影响。坡度越大高等级沙化的比例越大，缓坡主要引起LD，斜坡下ND占比52.46%，坡度＞25°ED占比急剧增加。常以盖度作为草地沙化的划分依据［34-35］，但坡度对植物生态型、生活型等功能群组成及优势度影响，仅以植被盖度不能体现群落的物种丰富度和物种多样性及其功能特征［34-35］。本研究以《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标》［15］中必测项目植物群落特征指标和辅测项目机械组成指标及养分含量指标，对坡度沙化表现分析表明，总盖度相对百分数的减少率随坡度增加其数值变化较小，当坡度＞25°沙化面积相对增加率几乎无变化，仅靠盖度不能表达真实沙化程度。而当坡度＞25°有机质含量和全氮含量相对减少率差异较小，仅粉粒相对减少率和砂粒相对增加率才能真正反映所有坡度的沙化情况。故对高寒草地健康程度及公路护坡功能评价时，需依据坡度选择与构建合适的评价指标体系。

高寒草甸生态脆弱区建设公路边坡是系统的生态防护工程，依据坡度构建相对稳定的“坡度-土壤-植物”关系，是体现公路护坡主要绿化、美化和生态功能的基础。坡度对土壤质地、pH值、含水量及肥力的影响，使不同坡度护坡沙化等级比例与沙化表现差异显著，实质是水土流失导致土壤退化、沙化、盐碱化的外在表现。本研究仅分析了5个坡度级上建成10年护坡的土壤性状及沙化表现，而存留植物种类、群落特征、优势种及功能群等植物层次的现状，可反映“坡度-土壤-植物”相互适应、协同进化及自然选择的结果，对公路边坡的坡面处理与工程措施、草种选择与配置、景观多样性与丰富度构建等具有参考价值。其实坡向决定着坡面的受光方向、光照强度及光照时数，改变着坡面上生态因子获取量与分配途径［4，13］，坡位影响着水分和养分的分布、流动、散失及利用效率，从而影响种子分布、植株形态、生活史和群落特征［36-37］，故需深入开展坡度、坡向、坡位对微生境生态因子影响的研究，为建设公路护坡“土壤-植物-功能”关系及制定生态防护工程技术路线，提供系统的科学依据。

4 结论

坡度对土壤质地、pH值、含水量、碳组成与含量、养分组成与数量有显著影响，黏粒和粉粒流失降低了土壤有机质和总碳含量，使土壤质地和供水供肥能力下降，＞25°坡度使土壤呈现出退化、沙化、盐碱化特征。坡度对沙化等级比例及沙化表现有显著影响，坡度＞25°时，不能以盖度减少率和沙化面积增加率，进行沙化度等级划分与功能评价。故高寒地区公路生态护坡建设时，需注意不同坡度上土壤性状、沙化度及沙化表现的差异，结合高寒气候特点，制定相应技术方案。